川东北联络线通江隧道围岩破碎带小导管注浆

蒲高军 刘 鹏

0 引言

随着我国长输管线工程的大发展，越来越多的管线需经过丘陵山地，管线就不可避免的在不良地质地段修建隧道，这极大的增加了设计和施工难度。注浆技术实用性强、应用范围广，是隧道工程治理不良地质的重要施工技术。本文结合川东北—川西输气管道联络线通江隧道工程，对管线隧道围岩破碎段注浆加固技术的应用进行阐述，可供类似工程借鉴与参考。

1 工程概况

川东北—川西输气管道联络线通江隧道使管线以江底隧道形式敷设穿越通江。通江隧道全长1 290 m，采用U形线形，两岸采用斜井形式，江底采用平巷形式。其中江底平巷K0+700～K0+715段长度为15 m，地质揭露该段隧道底板以上20 m范围内主要为侏罗系上统蓬莱镇组中风化粉砂质泥岩和微风化粉砂质泥岩组成，以微风化粉砂质泥岩为主，岩体破碎。视电阻率20 Ω·m～30 Ω·m，岩体富水性较强。原设计初衬为100 mm厚喷射C20混凝土+系统锚杆支护，但由于围岩破碎，岩体富水强，开挖揭露拱顶出现大量淋水，淋水量约为20 m3/h～25 m3/h，喷锚支护无法实施，故考虑预注浆封闭裂隙，堵水加固围岩。通过对超前小导管、管棚预支护和帷幕注浆等方案的综合比选，最终确定采用超前小导管注浆形式。

2 小导管注浆

2.1 注浆加固原理

采用围岩壁内注浆技术，可增强围岩整体性、控制围岩变形。其支护机理包括以下几方面:

1)注浆后的围岩能有效的闭合原有的节理及裂隙，阻止围岩节理、裂隙进一步发育，能有效的提高围岩强度;

2)通过注浆使普通锚杆具备了全长锚固锚杆的优良特性，有利于隧道破碎围岩的加固;

3)注浆可提高围岩的残余强度及内摩擦角，使破碎的岩体再次获得较高的支撑能力;

4)注浆后围岩的整体强度提高，缩小了围岩的松动圈半径，改善了围岩的应力圈状态。

2.2 破碎带隧道围岩可注性的调查

围岩可注性一般由3个因素决定:

1)围岩裂隙的发育程度及裂隙宽度，根据工程经验，我国水泥类浆液一般只能注入张开度大于0.2 mm的裂隙;

2)水泥浆液粒径的大小和粘稠度，当水泥粒径大于裂隙宽度时会出现不吃浆现象;

3)与注浆的压力有关，在一定的压力影响范围内，随压力的增大可注性明显提高。

在注浆前应详细调查隧道构造带的结构面特性。各类围岩都有其自身的临界压力，隧道围岩中常存在一些易于浆力劈裂的层面和不连续面等，当注浆压力超过临界注浆压力时，岩体就会发生劈裂。

经现场调查并结合围岩样本的物理力学实验得出其围岩裂隙较发育，平均裂隙张开度达到0.26 mm;注浆压力达2.5 MPa时还未发生浆力劈裂，可见该破碎带围岩满足小导管注浆条件。

2.3 注浆深度确定

隧道开挖后，破坏了围岩原有的三向应力平衡状态，使应力重新分布，产生应力集中。如果集中应力值小于下降后的岩石强度，围岩将处于弹塑性状态，围岩可自稳。如果集中应力值等于下降后的岩石强度，围岩将发生破裂，这种破裂将从周边开始逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，这个破裂带称为围岩松动圈。松动圈形成过程中的碎胀变形即岩石破裂膨胀变形是隧道支护的主要对象。注浆深度应通过松动圈进入塑性区内。

经过现场超声波测试，测得松动圈范围为隧道开挖轮廓线外2 m，因此注浆深度大于2 m进入塑性区内。

2.4 注浆材料

注浆材料大致可分为水泥注浆材料、化学注浆材料、无水泥熟料的绿色注浆材料三大类。三种材料优缺点比较见表1。

表1 注浆材料优缺点比较表

通过对材料来源、环境的影响、经济型综合比较，故采用水泥单浆液和水泥—水玻璃双浆液，具体考虑以下几方面:

1)通江隧道所处川东北山区，工业稀少，工业废渣来源不便，不适宜采用绿色注浆材料。

2)通江隧道穿越通江河，隧道底部围岩裂隙极有可能与河床相通，注浆时有可能污染通江水源，且化学材料费用高，不宜使用化学注浆材料。

3)水泥注浆技术成熟，且该地区水泥材料丰富，材料来源广泛，运距短，综合费用低。

4)采用水泥—水玻璃双浆液可提高浆液稳定性，控制凝结时间，改善单浆液注浆效果。

2.5 注浆压力的确定

注浆压力直接影响了注浆加固的效果。注浆压力的大小受围岩性质、渗透条件、浆液的流动力学性质、渗透范围和注浆方式等因素的影响和制约。注浆压力过小，浆液难以向围岩中扩散，达不到预期的效果;如果注浆压力过大，有可能致裂围岩。前节围岩可注性已验证了该段围岩满足小导管注浆条件。

根据以往的工程经验，围岩严重破碎时的注浆压力为0.5 MPa;围岩比较破碎时的注浆压力为1.0 MPa，裂隙较小时的注浆压力为 1.0 MPa ～2.0 MPa，最高不超过 3.0 MPa，故该段小导管注浆压力控制在 0.5 MPa～1.0 MPa。

注浆压力值通过公式(1)进行复核:

其中，p为注浆压力，MPa;q为浆液流量，m3/h;m为注浆有效段的长度，m;v为浆液的动粘性系数，m2/s;ω为裂隙宽度，m;r0为注浆孔半径，m;R为浆液扩散半径，m。

2.6 注浆扩散半径及注浆量

其中，R为浆液扩散半径，m;p为注浆压力，MPa;T为注浆时间，min;b1为岩体裂隙宽度，m;h为注浆有效段的长度，m;η为浆液的动粘性系数，m2/h。

总注浆量根据岩体空隙率及浆液在其中充填率进行估算。可按公式(3)计算:

其中，Q为总注浆量，m3;V为注浆范围内岩体体积，m3;n为岩体空隙率，%;a为过去时间证明了的充填率，%，其取值为:粘土类20%～30%，砂类40%～60%，砾石类约60%，断层破碎带取5%，一般破碎岩层取1%～2%，火成岩类取小于1%。

浆液的扩散半径是确定注浆孔布置和孔深的重要依据。影响扩散半径大小的因素很多，但主要取决于注浆压力、围岩力学性质、裂隙密度及开度、浆液的流动力学参数及初凝时间等。一般情况下应首先由注浆经验初步确定，然后由现场施工监测，再作进一步调整。

浆液扩散半径可以用公式(2)进行计算:

表2 小导管注浆的控制参数表

2.7 注浆参数确定

1)通过对前述注浆内容的调查、分析和计算，确定了小导管注浆的控制参数。具体数值见表2。

2)要求注浆浆液胶凝时间控制在30 s～180 s。固结体强度要求24 h不小于0.2 MPa。在压力地下水作用下，浆液要具有较好的防水稀释性能，而且在胶凝时间内要尽量静置不沉淀、不离析。通过注浆试验确定浆液的配合比，注浆材料的配合比及性能指标见表3。

表3 水泥—水玻璃浆液配比及性能表

2.8 注浆施作

1)小导管制作。小导管采用外径42 mm，厚3.5 mm的热轧无缝钢管，钢管长4 m，其加工制作按如图1所示结构要求进行，在导管的前端量取200 mm加工成圆锥形并封焊严实，作为小导管顶部，管身孔径为10 mm，孔距按300 mm梅花形排列设溢浆孔，后端1 m不设。管尾设一φ6 mm加筋箍。

图1 小导管示意图（单位：cm）

2)注浆孔布置。外层钢管外插角度稍大取30°～45°，保证1 m的水平投影搭接长度。呈梅花形布置。

3)注浆顺序。注浆从下部小导管开始按顺序向拱顶逐根注浆，严禁顺序颠倒。

4)注浆结束标准。以定量和定压双重标准控制。即:当注浆压力达到设计终压或注浆量达到设计值以上时，单孔注浆结束。当所有注浆孔均符合单孔结束条件、无漏注情况时全段注浆结束。

2.9 效果及评价

1)围岩注浆加固效果。经过现场检验，通过注浆能够把松散破碎的岩体固结成整体，形成了支护壳体，提高了掌子面前方围岩的强度和刚度，大大减少了开挖引起的围岩松弛和坍塌，起到了堵水的效果，达到了保证施工安全的目的。

2)沉降控制从施工过程中围岩变形观测和洞内监控量测数据分析来看，该破碎带在小导管注浆支护后，变形控制在5 mm以内，洞内变形符合规范要求。

3 结语

1)小导管操作简便、灵活，施工中不必投入过大的机具设备，对操作空间没有过高的要求，对施工空间受限地段有其独特的优越性。2)是提高其掌子面的自稳能力、降低地层渗水、控制围岩变形，以保证施工安全的一种有效方法。3)注浆参数的选择在注浆技术中至关重要。在注浆以前，必须根据实际情况选择浆液材料和合理的注浆参数。4)注浆施作形式的选择需根据现场地质情况、灾害发生原因、治理目的、实施可行性和经济性等因素综合考虑，做到因地制宜，切实可行。

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